华科激光原理839真题【2001-2015】

华中科技大学考研激光原理试题（历年真题及解析）2016版弘毅手卷华中科技大学激光原理历年真题及解析业精于勤而荒于嬉，行成于思而毁于随华中科技大学考研激光原理试题（历年真题及解析）2015年激光原理专业课试题一．简单题1.激光的特性，举例说明激光某一特性的应用。（新题）2.均匀加宽与非均匀加宽区别。（老题，常考！）3.方型镜横摸的光强分布图。（2001年第2题）4.什么是高斯光束，高斯光束的基本特征。（12年原题，常考！）5.谐振腔稳定性的判断，并画出稳区图，指明不同的区域代表了什么位置。（新题）6.均匀加宽的自选模与非均匀加宽的多纵模振荡。（2005第五题原题，常考！）二．计算题1.平面镜和凹面镜组成，1.画出等效透镜波导2.证明是否为稳定腔3.计算共焦参数。（老题）2.均匀加宽与非均匀加宽，记住具体的公式易于解题。均匀加宽与非均匀加宽区别。答案：1.从谱线加宽角度看均匀加宽：原子之间不可区分，每个原子的自发辐射具有完全相同的线型、线宽和中心频率非均匀加宽：原子之间可区分，每个原子的表观中心频率不同2.从单个原子谱线加宽与原子体系谱线加宽之间的关系看均匀加宽：原子体系的线型和线宽与单个原子的完全相同，每个原子以整个线型发射非均匀加宽：原子体系的线型和线宽与单个原子的不同3.从原子对谱线的贡献看均匀加宽：每个原子对谱线内的任一频率都有贡献，且对于某一频率的贡献是相同的非均匀加宽：某类原子仅对谱线内某一特定频率有贡献，例如仅对与其表观中心频率相同的频率有贡献4.从光和物质相互作用的角度看均匀加宽：入射的某一频率的准单色光场与介质中所有原子发生完全相同的共振相互作用，原子的受激跃迁几率相同非均匀加宽：入射场仅与介质中表观中心频率与其频率相应的某类原子发生共振相互作用，并引起这类原子的受激跃迁__________________________________________________________________华中科技大学考研激光原理试题（历年真题及解析）2014年激光原理专业课试题一．简答题1.描述自然加宽和多普勒加宽的成因，说明他们属于什么加宽类型。15′2.描述一般稳定腔和对称共焦腔的等价性。15′3.增益饱和在连续激光器稳定输出中起什么作用？谱线加宽是怎样影响增益饱和特性的？15′4.说明三能级系统和四能级系统的本质区别，哪个系统更容易形成粒子数反转，并说明为什么?15′二．1.一个折射率为,厚度为d的介质放在空气中，界面是曲率半径为R的凹面镜和平面镜。（1）求光线从空气入射到凹面镜并被凹面镜反射的光线变换矩阵。（2）求光线从凹面镜进入介质经平面镜反射再从凹面镜射出介质的光线变换矩阵。（3）求光线从凹面镜进入介质再从平面镜折射出介质的光线变换矩阵。25′2.圆形镜共焦腔的腔长L=1m，（1）求纵模间隔q，横模间隔m,n.(2)若在增益阈值之上的增益线宽为60MHz，问腔内是否可能存在两个以上的纵模震荡，为什么？25′3.虚共焦型非稳腔的腔长L=0.25m，由凹面镜M1和凸面镜M2组成，M2的曲率半径和直径为mR12,cma322,若M2的尺寸不变，要求从M2单端输出，则M1的尺寸为多少；腔的往返放大率为多少。20′4.某连续行波激光放大器，工作物质属于均匀加宽型，长度是L，中心频率的小信号增益为mG，初始光强为0I中心频率饱和光强为sI，腔内损耗系数为i(miG),试证明有：华中科技大学考研激光原理试题（历年真题及解析）sLLmIIIIILG00ln20′(提示：IdzdIGi,smIIG1G构造微分方程)2013年激光原理专业课试题一、简答60′1、试举出两种激光的泵浦方式，并分别举出一种激光器。10′2、试写出二能级系统的速率方程组，并证明在光泵浦的作用下二能级系统不能形成激光（g1=g2）15′3、简述三种跃迁方式的物理过程和特点，并分别写出跃迁概率。10′4、什么是增益饱和？在稳定激光器运行中增益饱和的作用是什么？10′5、什么是空间烧孔？空间少空对输出模式有什么影响？怎么消除空间烧孔效应的影响？15′二、在均匀加宽内腔式气体激光器中，在刚开始点燃时，可观察到激光功率不断起伏，激光频率在附近变化，开始时频率不断减少，在某时刻又发生跳变而突然增大，试解释此现象。25′三、如图所示三镜环形腔，已知l，试画出其等效透镜序列，并对腔内子午和弧矢傍轴光纤分别求出球面镜的曲率半径R在什么范围内该腔是稳定腔。对于在光轴组成的平面内传输的子午傍轴光线，反射镜等效透镜之焦距为Fx=（Rcosθ）/2，对于在光轴组成的平面内传输的弧矢傍轴光线，反射镜等效透镜之焦距为Fx=（R/2cosθ），θ为光轴与球面镜法线的夹角。25′四、两只氦氖激光器的结构如图所示，其中左侧激光器两腔镜满足R1=1m，华中科技大学考研激光原理试题（历年真题及解析）R2=+∞,腔长L=30cm；右侧激光器两腔镜满足R1′=50cm，R2′=+∞,腔长L′=25cm.他们之间的距离是l=50cm。试求：（1）两个谐振腔是否为稳定腔（2）在什么位置插入一个焦距为F为多大的薄透镜可以实现两个腔镜之间的摸匹配？（透镜两侧表面上光斑半径相同）25′五、现有均匀加宽均匀激励连续工作放大器，其损耗系数α≈0，若频率为ν的输入光强为0I，0I远大于Is，求（1）输出光强I（l）（2）从放大器提取的单位面积光功率极限Imax25′2012年激光原理专业课试题一、简答50′1.当粒子数反转密度Δn大于0时，激光谐振腔中一定能产生自激振荡吗？为什么？10′2.什么是光波模式？什么是激光器中的横模与纵模？10′3.简述兰姆凹陷及其产生的条件。10′4.简述高斯光束的基本特征10′5.什么是增益饱和？均匀加宽和非均匀加宽工作物质增益饱和的基本特征是什么？10′二、用输出波长为0.663微米的He-Ne激光器作激光测微粒分布试验，若束腰半径为0.3165/mm，并位于谐振腔的出射镜面上，而聚焦透镜置于离谐振腔出射面500mm处，试问：（1）透镜的有效口径要多大？（2）要激光光束聚焦为5微米直径的微小光斑，透镜焦距最大允许多长？25′三、设如图所示虚共焦非稳腔L=0.25m，凸透镜M2的直径22a=3cm，曲率半径为R2=-1m。若保持M2的尺寸不变，并从镜M2单端输出，试问：（1）凹面镜M1的尺寸应选择多大？（2）此时腔往返一周的损耗是多大？25′华中科技大学考研激光原理试题（历年真题及解析）四、某连续运转激光器增益介质小信号增益系数0Gα,α为总损耗系数，增益线宽内有两个模式形成了自激振荡，频率分别为ν1、ν2，且ν1ν2νν0,ν0为增益曲线的中心频率，试分析这两个模式能否都形成稳定的激光输出。25′五、内有含光学元件的两镜共轴激光谐振腔中，出两面反射镜外的其余光学元件的变化矩阵为ABCD，激光谐振腔腔镜曲率半径为R1、R2。请证明该谐振腔的稳定条件为：012gg1；其中1g=D-B/R1,2g=A-B/R225′2011年激光原理专业课试题一、简答题1.什么是对称共焦腔与一般稳定球面腔的等价性？2.简要描述三能级和四能级系统形成反转粒子数的区别？为什么三能级系统形成粒子数反转比较困难？试举例三能级和四能级激光器各一种，并说出波长。3.简述非稳腔的优缺点。画出实共焦望远镜的几何自再现波形。4.试分析均匀加宽固体激光器的模式竞争。二、求所示谐振腔的稳定性华中科技大学考研激光原理试题（历年真题及解析）三、一种三能级系统激光器，其32s61510s，21s≈0，21A=21310s，31A=51310s，1g=2g，腔内只存在一个震荡模，不及各种损耗。（1）求在外界泵浦条件下哎，该激光器的激光形成过程。（2）列出完整的速率方程（3）稳态时，如果介质激光上下能级粒子数相等，则应为多少？四、在一中Ar激光器中，其产生的高斯光束束腰半径为0.41mm，束腰位置恰好在某凸透镜表面上，该激光器的输出功率为400W，透镜焦距为10mm，计算Ar激光器发出的激光经透镜聚焦后，焦点处光斑半径内的平均密度。（Ar激光波长为514.5nm）五、有一连续行波激光放大器，工作物质具有均匀加宽线型，中心频率0处的小信号增益系数为mG，工作物质的损耗系数为α，入射光频率为0，其有效面积为A，求放大器的最大极限输出功率mp。六、如何利用短腔法选取单纵模？激光工作物质为钕玻璃，其荧光线宽ΔF为24.0nm，折射率=1.5，能用短腔法选取单纵模吗？为什么？2010年激光原理专业课试题一、简答题50′1增益饱和作用在激光的运行中起什么作用？10′2简述受激辐射和自发辐射的区别10′2用孔阑传输线简述自再现模的形成过程；15′4试画出双凸腔的自再线波型15′二、试简述在什么情况下，气体工作物质的谱线线型是均匀加宽线性函数？什么情况下是非均匀加宽线性函数？25′三、氦氖激光器的线宽为线宽是1500MHZ，中心频率小信号增益系数为,谐振腔长L=108cm，已知反射镜的透射率分别是0和0.03，求在该激光其中可能存在多少纵模？25′四、某基模高斯光束在自由空间传输沿着z轴传输，高斯光束束腰在Z=O处，试分析该基模高斯光束的等相位面的曲率半径随传播距离的变化，以及等相位面的中心位置随传播距离的变化，并证明存在一个位置是的等相位面的曲华中科技大学考研激光原理试题（历年真题及解析）率半径最小。25′五、在单纵模运行均匀加宽的固体激光器里，已知输出波长为1.06μm，谐振腔的长度100cm，问是否存在空间烧孔，如存在，请求出烧孔周期是多少？如果没有空间烧孔效应，也请说明理由。25′2009年激光原理专业课试题一、简要回答下列问题：1．什么是空间烧孔现象？空间烧孔现象对激光振荡的模式有什么影响？如何消除空间烧孔效应？(10分)2．写出如图所示的三能级激光器的速率方程。(10分)3.简述自发辐射、受激吸收和受激辐射的基本物理过程以及它们的特点。（10分）4.在一个实际工作的激光器中，请简述反转粒子数大于零、增益大于损耗以及阈值条件这三个物理过程或物理量之间的关系。(15分)5.试证明，高斯光束中任意一光线为双曲线。(15分)二、如果激光谐振腔内存在一个驻波场，对于具有均匀加宽、非均匀加宽的固体激光工作介质以及具有多普勒加宽的气体工作物质，对于上述三种情况，分别画出增益饱和的曲线。(20分)三、连续激光器的输出功率与什么因素有关？如图为激光器的输出功率与透射率的关系，可见存在一个最佳透射率使激光器的输出功率最大，请说明存在华中科技大学考研激光原理试题（历年真题及解析）最佳透射率的原因。(20分)四、证明，用薄透镜对高斯光束进行聚焦时，若透镜焦距大大地小于高斯光束的共焦参数，则不论高斯光束的束腰在何处，出射光束的束腰总是在透镜的焦平面上。(25分)五、有一连续工作的行波激光放大器，工作物质具有均匀加宽线型，其长度为L，中心频率出小信号增益系数为Gm，损耗系数为ai，ai/Gm1,入射光强为IO，出射光强为IL，β0=I0/IS，βL=IL/IS，IS为饱和光强。试证明GmL=Ln(β0/βL)+βL-β0(25分)2008年激光原理专业课试题一、简要回答下列问题1．请问两镜共轴激光谐振腔是如何等价于一个双周期性透镜波导的？（10分）2．连续激光器从开始工作到能够稳定输出激光的过程中，工作物质的增益是如何变化的？为什么？（10分）3．激光器一般是多纵模输出，在激光谐振腔中插入什么样的有选择性损耗元件能够选出单纵模，其物理过程是什么？（10分）4．简述光场与物质相互作用过程中多普勒加宽的物理机制，该机制对激光的输出功率带来何种影响。华中科技大学考研激光原理试题（历年真题及解析）（15分）二、某激光器工作物质的谱线线宽为50MHz，泵浦的速率是阈值泵浦速率的二倍，欲使该激光器单纵模输出，腔长应该为多少？（20分）三、一均匀加宽气体激光器，增益介质长度l=80cm，中心频率小信号增益系数为Gm=0.001cm-1,饱和光强为Is=30Wcm-1，线